1 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013
2 中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210016
本文提出了一种基于 CMOS 0.18 μm工艺的改进型高响应度太赫兹探测器线阵，各探测像素单元由高增益片上天线、高耦合度差分自混频功率探测电路和集成电压放大器组成。其中，差分探测电路利用源极差分驱动场效应管的交叉耦合电容，将太赫兹差分信号耦合至场效应管的栅极与源极，增强场效应管沟道内自混频太赫兹信号的强度，实现高响应度。其次，该探测器配备高增益片上环形差分天线与集成电压放大器，可有效放大混频后的信号，进而提高系统信噪比，最终达到增强探测器响应度的目的。探测器1 × 3线阵系统充分利用CMOS工艺多层结构的特点，将电压放大器布置在天线地平面下方，提高了芯片面积的利用率，有效降低了制作成本，整个系统的面积为0.5 mm2。测试结果表明，当场效应管的栅极偏置为0.42 V时，该探测系统对0.3 THz辐射信号的电压响应度（Rv）最大可达到43.8 kV/W，对应的最小噪声等效功率（NEP）为20.5 pW/Hz1/2。动态测试结果显示该探测器可对不同材质的隔挡物进行区分。
互补金属氧化物半导体 太赫兹 探测器 宽带天线 高响应度 CMOS THz detector broadband antenna high responsiveness
江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013
针对硅基毫米波功率放大器存在的饱和输出功率较低、增益不足和效率不高的问题,基于TSMC 40nm CMOS工艺,设计了一款工作在28 GHz的高效率和高增益连续F类功率放大器。提出的功率放大器由驱动级和功率级组成。针对功率级设计了一款基于变压器的谐波控制网络来实现功率合成和谐波控制,有效地提高了功率放大器的饱和输出功率和功率附加效率。采用PMOS管电容抵消功率级的栅源电容,进一步提高线性度和增益。电路后仿真结果表明,设计的功率放大器在饱和输出功率为20.5 dBm处的峰值功率附加效率54%,1 dB压缩点为19 dBm,功率增益为27 dB,在24 GHz~32 GHz频率处的功率附加效率大于40%。
功率放大器 高增益 谐波控制网络 高效率 power amplifier high gain harmonic control network high efficiency
江苏大学电气信息工程学院, 江苏镇江 212013
传统太赫兹探测器仅能获取信号幅值信息, 为此提出一种正交外差混频结构, 可同时获得信号的幅值、相位和极化信息, 有效提升探测器的灵敏度和信息量。该探测器基于 40 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺, 在传统吉尔伯特双平衡混频结构的开关级与跨导级之间串联电感, 输出级联 cascode中频放大器, 进一步提高探测器响应电压。经过仿真优化, 该探测器在 -50 dBm射频功率, 0 dBm本振功率条件下, 1 GHz中频信号的电压响应度为 1 100 kV/W, 噪声等效功率为 26.8 fW/Hz1/2, 输出波形显示了良好的正交性。同时, 设计了一个 1∶8层叠式功分器用于分配本振功率, 在 150 GHz频率处, 该功分器的插入损耗约为 5 dB, 四路差分输出信号的幅值差为 0.8~1.2 dB, 相位差为 0.4 °~1.7 °。
互补金属氧化物半导体(CMOS) 太赫兹 正交 外差 功分器 Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) terahertz quadrature heterodyne power divider 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(10): 1000
江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013
针对传统三倍频器输出功率和匹配性能差的问题, 基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺, 提出一种用滤波器作为匹配电路的三倍频器。该三倍频器输出匹配性能好、功率损耗小, 提高了三次谐波的输出功率。对晶体管静态特性进行分析, 进一步提升输出功率。流片后的实测结果表明, 在31.5~36 GHz输出频率范围内, 输入功率为0 dBm时, 最大输出功率为-6.2 dBm, 基波抑制比大于12.35 dBc, 二次谐波抑制比大于8.2 dBc。三倍频器的电源电压为1.8 V, 直流功耗为36.9 mW。核心电路面积为0.35 mm2。
倍频器 三倍频器 巴伦 frequency multiplier tripler Balun CMOS CMOS
江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013
针对环境混合能量收集 (天线)的小型化设计目标, 设计一种基于聚偏氟乙烯 (PVDF)压电材料的双频段共面波导 (CPW)天线。天线的主要辐射单元为矩形铜皮贴纸, 两侧对称的 L型铜皮贴纸形成共面波导馈电结构, 并作为微扰单元改变天线的表面电流分布, 实现双频的设计要求。天线设计并制造在 PVDF压电薄膜上, 由于压电材料本身所具备的压电特性和高介电常数, 该天线可同时收集射频与振动 2种能量, 天线尺寸得到有效减小。实验结果表明: 该天线可同时工作在2.4 GHz和 5.8 GHz的常用工业、科学与医学( ISM)频段, 峰值增益分别为 0.77 dB和 2.47 dB。
PVDF压电薄膜 共面波导 双频段天线 混合能量收集 PVDF piezoelectric film Coplanar Waveguide dual -band antenna hybrid energy harvesting 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(4): 692
在太赫兹频段，无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及 MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种 300 GHz可调谐振荡器，首先，采用改进的交叉耦合双推 (Push- Push)振荡器结构，通过输出功率叠加的方法输出二次谐波 300 GHz信号，增加了振荡器的输出功率并突破了 MOS管截止频率，并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次，太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式，通过调节 MOS管衬底电压改变 MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐，避免太赫兹频段引入低 Q值电容，进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电 40 nm CMOS工艺，基波工作频率为 154.5 GHz，输出二次谐波为309.0 GHz，输出功率可达 -3.0 dBm，相位噪声为 -79.5 dBc/Hz@1 MHz，功耗为 28.6 mW，频率调谐范围为 303.5~315.4 GHz。
Push-Push振荡器 CMOS工艺 太赫兹源 高输出功率 Push-Push oscillator CMOS THz source high output power 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(3): 364
江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江 212013
提出了一种基于三导体耦合线结构的毫米波Marchand巴伦的新型宽带模型.基于c模和π模理论，对三导体耦合线进行了分析并采用传输线和理想变压器对其建立了模型.通过电磁场仿真提取了模型参数并使用该耦合线模型建立了Marchand巴伦的模型.基于该模型，使用GaAs工艺设计了一种毫米波Marchand巴伦并进行了流片制造，所设计的巴伦工作在15~55 GHz频率范围，测试结果表明该巴伦具有较好的幅值和相位平衡度，同时验证了模型的准确性.
毫米波 Marchand巴伦 模型 三导体耦合线 millimeter-wave Marchand balun model three-conductor coupled line 红外与毫米波学报
2015, 34(6): 0705
